CN111239829A - 一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测系统及方法 - Google Patents

一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下目标探测技术领域，涉及可控源电磁和水声复合目标探测系统及探测方法。该系统包括：偶极电流源；拖曳在探测船船尾的一条或数条复合探测缆；复合探测缆上等间距设置若干组水声和电磁信号探测装置；复合探测缆利用同步移动的偶极电流源产生的电流源信号实现海洋可控源电磁场和水声信号的同步采集。本发明中，拖拽在探测船尾的一条或数条复合探测缆，及其上布设的多组水声和可控源电磁信号探测装置，其覆盖范围内形成了探测区域，通过对进入其探测区域内的水下移动或静止目标同步采集其可控源电磁场和水声信号，并进一步对采集的信号进行运算处理，可以探测或实时监测进入其探测范区域内的水下移动或静默目标的位置、方位、深度、形状、几何尺寸及电导率或电阻率信息。

Description

一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测系统及方法
技术领域
本发明属于水下目标探测技术领域，涉及可控源电磁和水声复合目标探测系统及方法。
背景技术
对水下或海底移动或静止目标的探测与实时监测目前通常采用的是声纳和激光(主动)、水声和海底大地电磁(被动)等探测技术。由于各种方法的局限性和海洋里各种物理场的强大背景噪音，它们在实际应用中往往很难可靠准确的探测到或实时监测到进入其探测范围内的水下移动或在水中无声悬停或在海底静默的目标。目前水声探测所用的水听器一般都是声压水听器，它只能得到声场的声压标量。声压水听器的空间响应为各向同性，不能辨别声波传播方向，要在复杂的海洋环境中进行水声场测量，需将数十到数百个探测单元组成大规模阵列，利用阵列的波束形成来获取水声场的分布和传播方向等信息。按照波束形成原理，阵列尺度越大，声波波长越短，则分辨率越高。但是目前水声研究和应用的重点都在浅海海域，同时由于海洋的声传播特性和声隐身技术的发展，海上目标探测的有效频段转向数百、数十赫兹甚至是几赫兹的低频，这时声波波长往往达到数十和数百、上千米，已与海洋深度相当，甚至大于海洋深度。在这种低频领域的情况下，利用大尺度阵列进行水声场探测就受到很大的限制，特别对潜标、浮标和水下平台等尺度有限载体的目标探测和制导系统，基于声场标量探测的声压水听器已越来越难以满足应用的要求。对于水下移动目标，虽然水声传感器能探测到其发出的各种机械噪声，但是仅根据水声传感器记录的水下移动目标的各种机械噪声很难对水系目标的大小和形状进行实时成像，难以判断水下移动目标的具体类型。对于在水中无声悬停或在海底静默的目标，虽然主动声纳可以发现水下静态目标的回声，但是仅根据主动声纳记录的水下静态目标的回声很难对水系目标的大小和形状进行实时成像，同样难以判断水下静态目标的具体类型。针对上述问题，我们需要发明更新更好更可靠的技术方法和实用装备来解决目前单一的声纳、激光、水声、大地电磁等水下目标探测系统和方法无法准确可靠的探测或监测水下移动或静态目标的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统及探测方法，通过采集海洋四分量可控源电磁场数据和海洋四分量水声数据，实时探测或实时监测进入其探测范围内的水下移动或在水中悬停或海底静默的水下目标。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，包括：偶极电流源；拖曳在探测船船尾的一条或数条可控源电磁和水声复合探测缆；
所述复合探测缆上等间距设置若干组水声和电磁信号探测装置；
所述复合探测缆利用同步移动的偶极电流源产生的电流源信号实现海洋可控源电磁场和水声信号的同步采集。
作为本发明的一种优选方式，所述的水声和电磁信号探测装置包括毗邻连接的水听器、及毗邻连接的三分量磁场传感器和电场传感器；所述水听器和磁场传感器还毗邻连接有三分量姿态传感器。
作为本发明的一种优选方式，相邻水声和电磁信号探测装置间隔距离为5-25米。
作为本发明的一种优选方式，所述的磁场传感器为感应线圈式三分量磁场传感器或磁通门式三分量磁场传感器或者超导磁场传感器或者冷原子磁场传感器或者三分量光纤磁场传感器，测量海洋可控源三分量磁场信号。
本发明还提供一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，包括：
探测缆上布置的水声和电磁信号探测装置采集水下目标的水声信号和电磁信号；
探测船上的接收计算机对采集的数据进行处理运算；联合反演水下目标的电阻率并进行实时快速成像，大致确定水下目标的大小形状、具体位置和移动方向和速度等信息。
作为本发明第一种优选方式，对于采集的原始数据，根据姿态传感器记录的姿态数据进行校正，具体为：
获取某一时间点三分量原始数据，构成一个3行及1列的向量F；
原始数据F乘以转换矩阵R，得到姿态校正之后的数据F′；
F′＝FR
R＝RzRyRx
Figure BDA0002386805870000031
Figure BDA0002386805870000032
Figure BDA0002386805870000033
其中，F为原始数据，R为转换矩阵，F′为校正之后的数据。θ、α和β分别是倾角、方位角和倾向。
作为本发明的一种优选方式，采用基于水下背景场约束的电磁成像方法联合反演水下目标的电阻率并进行实时快速成像，具体步骤为：
(1)利用已知的海底地形数据建立空气，海水，地下介质三层初始模型，将每个层位的电阻率作为一个参数参与反演，得到观测区域的背景场电性参数m*：
Figure BDA0002386805870000036
其中，||Rm||用于计算模型粗糙度；m为模型参数向量；W为数据的方差矩阵，
Figure BDA0002386805870000034
为目标拟合差参数；d为观测数据；W为数据的方差矩阵，
Figure BDA0002386805870000035
为第j个数据的标准差；F(m)为空气，海水，地下介质模型m对应的响应数据；
(2)根据在数据采集过程中的发射源电流和姿态，接收计算机的方位信息，对步骤(1)得到的背景场电性模型m*进行拖曳式电磁数值模拟，从而获得背景场四分量电磁响应数据；
(3)以接收计算机坐标为横坐标、发射源与接收机的距离为纵坐标，将经过姿态校正的四分量可控源海洋电磁数据和步骤2背景场响应数据的差值与观测到的四分量可控源海洋电磁数据进行比值计算，得到的结果绘制可控源电磁异常拟断面图，通过可控源电磁异常拟断面图中异常体的形态，可反映观测目标的大小、几何形状和具体位置及电导率或电阻率(高阻或低阻水下移动目标)。
(4)根据实时连续测量的水下目标的四分量水声信号随时间的变化情况(时移四分量水声信号)，可以判别并确定和计算水下目标的方位和移动速度。根据随时间不断变化的可控源电磁异常拟断面图(时移拟断面图)中异常体的位置变化，可以判定水下目标是静态的还是移动的。如果水下目标是移动的，可以根据时移可控源电磁拟断面异常图中异常体变化的位置和时移图的时间间隔，也可以很快的计算出水下目标的移动速度。
本发明中，拖拽在探测船尾的一条或数条复合探测缆，及其上布设的多组四分量水声和四分量可控源电磁信号探测装置，其覆盖范围内形成了探测区域，通过对进入其探测区域内的水下活动或静止目标同步采集水声和可控源电磁场信号，并进一步对采集的信号进行运算处理，可以探测或实时监测进入其探测范区域内的水下移动或在水中悬停或海底静默的目标的位置、方位、深度、形状、几何尺寸及电导率或电阻率(高阻非金属复合材料或低阻金属材料制造的水下移动目标)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统平面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统中其中一组四分量水声传感器、四分量可控源电磁传感器和三分量姿态传感器的结构示意图；
图3是本申请提供的拖曳式主动与被动水下电磁和水声复合目标探测系统采集数据的一种实施例的示意图；
图4是姿态校正示意图；
图5是地下介质三层初始模型示意图；
图6是可控源电磁异常拟断面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本实施例提供的一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测系统。该系统包括：探测船1、安装在探测船上的大功率偶极电流源9，与大功率偶极电流源9连接的拖曳在探测船尾的水下大功率偶极电流源发射天线2、多条拖曳在探测船船尾的、探测水下目标的可控源电磁和水声复合探测缆3。
如图1所示，在每一条复合探测缆3上，等间隔依次设置有若干测量四分量水声信号的三分量矢量水听器4和声压水听器5，若干测量四分量可控源电磁场信号的三分量可控源磁场传感器6和测量沿缆方向可控源电场信号的不极化电场传感器7。三分量矢量水听器4、声压水听器5和三分量可控源磁场传感器6分别通过复合探测缆3毗邻连接有三分量姿态传感器8，三分量姿态传感器8测量与其毗邻连接的三分量矢量水听器4或三分量可控源磁场传感器6的三分量姿态数据，包括倾角、方位角和倾向。
图2是设置在复合探测缆3上的其中一组水声和电磁信号探测装置。一个三分量矢量水听器4、声压水听器5、三分量可控源磁场传感器6、三分量姿态传感器以及不极化电场传感器7组成一组水声和电磁信号探测装置，多组这样的探测装置等间隔设置在复合探测缆3上，间隔距离为5-25米。
例如：相邻两组水声和可控源电磁信号探测装置中的两个不极化电场传感器7之间间隔15米，也可以是两个声压水听器5之间间隔15米。如果有多条复合探测缆，每一条探测缆上水声和可控源电磁信号探测装置的间隔距离可以与其他复合探测缆上水声和可控源电磁信号探测装置间隔距离相同，也可以不同。
并且，本实施例中，毗邻连接是指相邻的两个装置之间的距离小于预设阈值。具体的所预设阈值可以结合实际应用设置，例如设置为0.5米。
本实施例中，三分量可控源磁场传感器6为感应线圈式磁场传感器或磁通门式磁场传感器或超导磁场传感器或冷原子磁场传感器或光纤磁场传感器。声压水听器为压电晶体水听器或干涉型光纤水听器。三分量矢量水听器为三分量磁电式检波器或三分量加速度检波器或三分量光纤检波器。
利用本实施例提供的探测系统可以探测或实时监测进入其探测范围内的水下移动或在水中悬停或海底静默的目标，解决目前单一的水声、超声、激光、海底大地电磁等水下目标探测系统和方法无法准确可靠的探测或监测水下移动或静态目标的难题，提高实时探测水下移动或静态目标的准确性和可靠性。
本实施例提供的拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，具体步骤和原理描述如下：
S210：将采集海洋水声和可控源电磁数据的探测缆根据预设的测网由探测船在水面以下预设深度拖曳前行；
S220：激发船在海平面以下预设深度拖曳可控偶极电流源发射天线移动并持续激发可控电流源信号；
S230：复合探测缆上布置的水声和电磁信号探测装置采集水下目标的四分量水声信号和四分量可控源电磁信号，包括：三分量水声矢量信号和声压水声信号、三分量可控源磁场信号和沿缆方向的可控源电场信号，以及传感器的三分量姿态数据：倾角、方位角和倾向；
S240：通过复合探测缆将上述实时采集到的信号传输到探测船上的接收计算机；
S250：接收计算机对采集的原始数据，根据姿态传感器记录的姿态数据进行校正，校正公式为：
F′＝FR
R＝RzRyRx
Figure BDA0002386805870000061
Figure BDA0002386805870000062
Figure BDA0002386805870000063
其中，F为原始数据，R为转换矩阵，F′为校正之后的数据。θ、α和β分别是倾角、方位角和倾向，如图4所示。具体步骤如下：
获取某一时间点三分量原始数据，构成一个3行及1列的向量F；
原始数据F乘以转换矩阵R，得到姿态校正之后的数据F′。
S250：对矫正后的数据，采用基于水下背景场约束的电磁成像方法，联合反演水下目标的电阻率和实时快速成像，具体步骤为：
1、利用已知的海底高程数据建立空气，海水，地下介质三层初始模型，如图5所示。将每个层位的电阻率作为一个参数参与反演，得到观测区域的背景场电性参数m*：
Figure BDA0002386805870000071
其中，||Rm||用于计算模型粗糙度；m为模型参数向量；W为数据的方差矩阵，
Figure BDA0002386805870000072
为目标拟合差参数；d为观测数据；W为数据的方差矩阵，
Figure BDA0002386805870000073
为第j个数据的标准差；F(m)为空气，海水，地下介质模型m对应的响应数据；
2、根据在数据采集过程中的发射源电流和传感器姿态、接收计算机的方位信息，对步骤1得到的背景场电性模型m*进行拖曳式电磁数值模拟，从而获得背景场四分量电磁响应数据；
3、以接收计算机坐标为横坐标、发射源与接收机的距离为纵坐标，将经过姿态校正的四分量海洋可控源电磁数据和步骤2背景场电磁响应数据的差值与观测到的四分量可控源海洋电磁数据进行比值计算，得到的结果绘制可控源电磁异常拟断面图，如图6所示，通过可控源电磁异常拟断面图中异常体的形态，可反映观测目标的大小、几何形状和具体位置及电导率或电阻率(高阻非金属复合材料或低阻金属材料制造的水下移动目标)。
4、根据实时连续测量的水下目标的四分量水声信号随时间的变化情况(时移四分量水声信号)，可以判别并确定和计算水下目标的方位和移动速度。根据随时间不断变化的可控源电磁异常拟断面图(时移拟断面图)中异常体的位置变化，可以判定水下目标是静态的还是移动的。如果水下目标是移动的，可以根据时移可控源电磁拟断面异常图中异常体变化的位置和时移图的时间间隔，也可以很快的计算出水下目标的移动速度。

Claims (10)

1.一种拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，包括：偶极电流源；拖曳在探测船船尾的一条或数条复合探测缆；其特征在于：
所述复合探测缆上等间距设置若干组水声和可控源电磁信号探测装置；
所述复合探测缆利用同步移动的偶极电流源产生的电流源信号实现海洋可控源电磁场和水声信号的同步采集。
2.根据权利要求1所述的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，其特征在于：所述的水声和电磁信号探测装置包括毗邻连接的四分量水声传感器、及毗邻连接的三分量磁场传感器和沿缆方向电场传感器；所述四分量水声传感器和三分量磁场传感器还毗邻连接有三分量姿态传感器。
3.根据权利要求2所述的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，其特征在于：相邻电磁信号和水声探测装置间隔距离为5-25米。
4.根据权利要求2所述的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，其特征在于：所述的水声传感器包括沿缆布设的三分量矢量水听器和声压水听器，用于测量海洋四分量水声信号。
5.根据权利要求2所述的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，其特征在于：所述的电场传感器为不极化电极对或者光纤电场传感器，测量沿缆方向海洋可控源电场信号。
6.根据权利要求2所述的拖曳式水下可控源电磁和水声复合目标探测系统，其特征在于：所述的磁场传感器为感应线圈式三分量磁场传感器或磁通门式三分量磁场传感器或超导磁场传感器或冷原子磁场传感器或三分量光纤磁场传感器，测量海洋可控源三分量磁场信号。
7.一种拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，包括：
复合探测缆上布置的水声和可控源电磁场信号探测装置同步采集水下目标的水声信号和可控源电磁场信号；
探测船上的接收计算机对采集的数据进行运算处理；联合反演水下目标的电阻率并进行实时快速成像，大致确定水下目标的大小形状、具体位置和移动方向和速度信息。
8.根据权利要求7所述的拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，其特征在于：对于采集的原始数据，根据三分量姿态传感器记录的三分量姿态数据进行校正，具体为：
获取某一时间点三分量原始数据，构成一个3行及1列的向量F；
原始数据F乘以转换矩阵R，得到姿态校正之后的数据F′；
F′＝FR
R＝RzRyRx
Figure FDA0002386805860000021
Figure FDA0002386805860000022
Figure FDA0002386805860000023
其中，F为原始数据，R为转换矩阵，F′为校正之后的数据。θ、α和β分别是倾角、方位角和倾向。
9.根据权利要求8所述的拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，其特征在于：采用基于水下背景场约束的电磁成像方法联合反演水下目标的电阻率并进行实时快速成像，具体步骤为：
(1)利用已知的海底地形数据建立空气，海水，地下介质三层初始模型，将每个层位的电阻率作为一个参数参与反演，得到观测区域的背景场电性参数m*：
Figure FDA0002386805860000024
其中，||Rm||用于计算模型粗糙度；m为模型参数向量；W为数据的方差矩阵，
Figure FDA0002386805860000025
为目标拟合差参数；d为观测数据；W为数据的方差矩阵，
Figure FDA0002386805860000026
Figure FDA0002386805860000027
为第j个数据的标准差；F(m)为空气，海水，地下介质模型m对应的响应数据；
(2)根据在数据采集过程中的发射源电流和姿态，可控源电磁和水声复合接收缆的方位信息，对步骤(1)得到的背景场电性模型m*进行拖曳式电磁数值模拟，从而获得背景场四分量电磁响应数据；
(3)以接收计算机坐标为横坐标、发射源与接收机的距离为纵坐标，将经过姿态校正的四分量可控源海洋电磁数据和步骤2背景场响应数据的差值与观测到的四分量可控源海洋电磁数据进行比值计算，得到的结果绘制可控源电磁异常拟断面图，可反映观测目标的位置、方位、深度、形状、几何尺寸及电导率或电阻率。
10.根据权利要求7-9任一项所述的拖曳式可控源电磁和水声复合水下目标探测方法，其特征在于：根据实时连续测量的水下目标的四分量水声信号随时间的变化情况，可以判别并确定和计算水下目标的方位和移动速度。
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